磷酸鎂鉀水泥對生活污泥固化減量效果的研究

張京波，陳延昌，宋 鵬，付興華，王 琦

(濟南大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250022)

近幾年來，城市污水處理率逐年提高，其污泥的產量急劇增加，導致污泥的處理成為一個急需解決的難題[1-2]。生活污泥作為城市污水處理的副產物，其產量大、成分復雜和高含水率的特點，難以進行廢棄資源二次利用[3]。目前受到我國污泥處理技術的限制，大約70%的污泥不能得到有效處理，隨意的堆置，對環境危害很大。

磷酸鎂鉀水泥(MKPC)具有早期水化速度快、強度高的特點，主要應用在快速修補材料、油井固化及固化放射性核廢料等方面[4-5]。利用其快凝的特性，可以在短時間內固化污泥，并且降低污泥的含水率。MKPC雖然作為一種水泥，但本質其不吸附重金屬離子，含磷元素高，可將固化后污泥作為二次資源利用施入農田，不會造成環境污染[6]。硅灰可以改良土壤，能鈍化土壤中的金屬，與MKPC混合使用可以改良土壤增加肥力。硅灰在固化污泥體系中起到骨架作用，降低污泥的流動性，提高強度。

1 實驗

1.1 試劑、材料與儀器設備

表1 生活污泥主要氧化物組成

輕燒MgO(活性大于68)；磷酸二氫鉀(KH2PO4，99.50%)；硅灰(均粒徑10.48μm)。

實驗污泥來自濟南大學污水處理廠，其主要指標如下：含水率為94.15%；pH值為7.05；燒失量為26.77。其生活污泥主要氧化物組成見表1。

采用MTS CMT5504電子萬能試驗機測試抗壓強度，美國 FEI 公司的 Quanta 250 FEG型場發射掃描電子顯微鏡觀察固化污泥的微觀形貌。

1.2 方法

MKPC為輕燒MgO與KH2PO4物質的量比(M∶P)4∶1配制而成。污泥含水率比較高，因此設定MKPC摻量為污泥質量的20%、30%、40%、50%和60%，污泥含水率設定94%、90%和85%，硅灰的摻量設定為MKPC質量的10%～50%。MKPC和硅灰與污泥混合攪拌2min，然后將混合好的漿體制備成立方體試件(2 cm×2 cm×2 cm)，在常溫環境下養護直至測試。

2 結果與分析

2.1 MKPC固化生活污泥

圖1是MKPC水泥固化不同含水率污泥3、7和27天的抗壓強度圖，可以發現污泥含水率越低，其固化體的抗壓強度越大，MKPC摻量越多其抗壓強度越大，特別的污泥含水率85%時，僅摻MKPC 20%其固化體3天強度就達0.65MPa。

(a) 3d; (b) 7d; (c) 28d

圖1 MKPC水泥對不同含水率污泥固化抗壓強度圖

2.2 MKPC與硅灰復摻固化污泥

(a) 3d; (b) 7d; (b) 28d

圖2是在MKPC摻量30%條件下，復摻不同含量硅灰的固化體抗壓強度圖，可以發現隨著硅灰摻加量的增加其固化體強度增加明顯。特別的當硅灰加入50%時28天強度為2.5MPa，比未加硅灰的大1.5 MPa。硅灰在固化體中起到了骨架作用，提高了抗壓強度，摻量30%就已經滿足3天350kPa填埋材料的要求。

2.3 固化污泥體積收縮

圖3是MKPC固化污泥與MKPC和硅灰共同固化污泥在不同齡期內的體積收縮率圖。圖3a顯示MKPC摻加量從 20%增到40%，其固化體的體積收縮率由40%增加到62%，因此MKPC增加摻量會加大固化體的體積收縮率。而圖3b圖顯示復摻硅灰后會降低固化體的體積收縮。因此摻加適當的硅灰可以改善固化體的收縮也可以增加固化體的強度。所有固化體在固化6天后體積收縮趨于穩定，可以對固化污泥進行填埋處置。

(a) MKPC; (b) 30 wt%MKPC+硅灰

圖3 體積收縮率

2.4固化污泥SEM形貌分析

圖4為MKPC和硅灰固化污泥體系的微觀形貌圖。MKPC加入到污泥中磷酸二氫鉀會溶解于污泥的水中，輕燒氧化鎂接著溶解, 兩者迅速反應形成磷酸鹽水化物，使漿體迅速硬化。MKPC生成棒狀晶體，內部含有為水化的氧化鎂顆粒，后期成型養護后水分蒸發，導致空隙增加。加入硅灰提供骨架，可以填充更小的孔，促進MKPC水化產物結晶，提高固化體的強度。

(a) 7d; (b) 28d: 30 wt% MKPC; (c) 7d ; (d) 28d :30 wt%MKPC復摻30 wt% 硅灰

圖4 SEM形貌圖

3 結論

MKPC富含磷元素，硅灰可改良土壤，兩者共同固化污泥的固化體可作為肥料二次利用，促進了資源的循環利用。摻加不同含量的MKPC和硅灰對生活污泥固化減量處理，隨著MKPC摻入量增加，固化污泥體的強度也逐漸增加。單摻MKPC 60wt%時3天強度可達1.2MPa，28天強度為2.7 MPa。復摻硅灰30 wt%時，3天強度350kPa完全達到填埋標準。加入硅灰一方面提高固化體的強度，另一方面可以減少固化體的體積收縮，30%MKPC復摻30%硅灰可降低40%的收縮，這在工程中有很強的資源利用價值。